Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes, wobei der Sensor einen Massenstromsensor mit einem Massenstromsensorelement und einen Temperatursensor mit einem Temperatursensorelement sowie eine Schnittstelle zur Stromversorgung aufweist, wobei der

Sensor die von dem Massenstromsensorelement und dem Temperatursensorelement analog erfassten Messwerte in digitale Ausgangssignale umwandelt. Die Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines

Fluidstromes ist, insbesondere in der Automobilindustrie, von hoher Bedeutung, da diese Größen zur optimierten Steuerung von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen benötigt werden. Bis lang wurden die von Sensoren zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes ermittelten Werte dem Motorsteuergerät im Automobil in analoger Form zur Verfügung gestellt . Analoge Signale haben jedoch den Nachteil, dass sie störanfällig sind und zum Beispiel durch elektromagnetische Störfelder erheblich verfälscht werden können. Daher ist eine Digitali- sierung der von dem Sensorelement ermittelten analogen Messwerte noch im Sensor selber vorteilhaft. Dies geschieht mit Ana- log/Digital-Wandlern, die im Sensor selber angeordnet sein können. Da der Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur mehrere physikalische Größen erfasst, ist eine Vielzahl von Analog/Digital-Wandlern notwendig. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Schnittstellen und Stromversorgungen an und/oder in dem Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes notwendig, um die einzelnen Sensorelemente zu betreiben und auszulesen. Dadurch wird die Erfassung der Messwerte für den Massenstrom und die Temperatur innerhalb eines Fluidstromes relativ komplex und teuer. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen möglichst einfachen und kostengünstigen Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Dadurch, dass in dem Sensor mindestens ein Analog/Digital- Wandler angeordnet ist, der die analogen Messwerte des Massenstromsensorelements und/oder die analogen Messwert des Temperatursensorelements in ein digitale Ausgangs Signale umwandelt und die digitalen Ausgangssignale an einer einzigen digitalen Schnittstelle bereitstellt, entfällt mindestens eine Leitung, die den Sensor mit einem nachfolgenden MotorSteuergerät verbindet. Es ist also nur noch einen einzige Leitung notwendig, um die Messwerte des Mas senstromsensor- elements und die Messwerte des Temperatursensorelements an die Motorsteuerung zu übertragen. Da bei modernen Sensoren die Verkabelung einen nicht unwesentlichen Teil des Gesamtpreises des Sensors ausmacht, ist der erfindungsgemäße Sensor besonders preiswert herstellbar. Zudem ist der erfindungsgemäße Sensor besonders fehlerfrei herstellbar und störungsunempfindlich, da alle wesentlichen Funktionen zur Messung der Temperatur und des Massenstroms im Sensor selber vereint sind und die vollständig digitalisierten Messergebnisse des Massenstromsensorelementes und des Temperatursensorelementes nur noch über eine einzige digitale Schnittstelle und eine einzige Leitung zum Motorsteuergerät übertragen werden.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind/ist zusätzlich zu dem Mas senstromsensor und dem Temperatursensor ein Feuchtesensor mit einem Feuchtesensorelement und/oder ein Drucksensor mit einem Drucksensorelement in dem Sensor angeordnet. Sowohl der Feuchtesensor als auch der Drucksensor ist geeignet die Signale des Sensors zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur um in der Ansaugluft veränderliche Größen zu kompensieren. Das Mas senstromsignal gibt dem MotorSteuergerät Auskunft über die zur Verbrennung des Kraftstoffes zur Verfügung stehende Sauerstoffmenge, die natürlich in erster Linie von dem Massenstrom der Ansaugluft abhängt. Der herrschende Druck, die Feuchte der Ansaugluft und die Temperatur der Ansaugluft können aber bei gleichem Massenstrom zu unterschiedlicher SauerStoffzufuhr zu den Brennräumen der Brennkraftmaschine führen. Daher sind die physikalischen Größen Temperatur, Luftfeuchte und Druck geeignet, um eine Fehlerkompensation des Massenstromsignals zu erreichen und eine hochgenaue Dosierung der Kraftstoffmenge in den Brennräumen zu ermöglichen. Dies dient der Schonung von Ressourcen und der Umwelt.

Da in dem Sensor mindestens ein Analog/Digital-Wandler angeordnet ist, der die analogen Messwert des Massenstromsensor- elements und die analogen Messwert des Temperatursensorelements in ein digitale Ausgangssignale umwandelt und an einer einzigen digitalen Schnittstelle bereitstellt, ist der Sensor weniger komplex und kostengünstiger herstellbar. Durch den Wegfall mindestens einer Leitung zwischen dem Sensor und dem Steuergerät, wird das Gesamtgewicht des Fahrzeuges verringert, in dem der erfindungsgemäße Sensor verbaut ist.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist der mindestens eine Analog/Digital-Wandler in dem Mas senstromsensor angeordnet. Darüber hinaus ist es denkbar, dass mindestens eine Analog/Digital-Wandler in dem Temperatursensor und/oder in dem Feuchtesensor und/oder in dem Drucksensor angeordnet ist. Der mindestens eine Analog/Digital-Wandler kann die analogen Messwerte des Massenstromsensorelementes, des Temperatursensorelementes, des Feuchtesensors und/oder des Drucksensors in digitale Ausgangssignale umwandeln. Dadurch wird der Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes kostengünstiger. Mit einem elektronischen Schalter können die analogen Messwerte des Massenstromsensorelementes, des Temperatursensorelementes, des Feuchtesensorelementes und/oder des Drucksensorelementes zur Digitalisierung an den Ana- log/Digital-Wandler geleitet werden. Bei einer nächsten Weiterbildung der Erfindung weist der Sensor eine einzige Schnittstelle zur Stromversorgung auf. Hierdurch kann eine Stromversorgungsleitung zum Beispiel zwischen dem Steuergerät und dem Sensor eingespart werden. Der Sensor wird damit billiger und am Fahrzeug wird Gewicht eingespart.

Es ist auch möglich die digitalisierten Messwerte des Mas- senstromsensorelementes , des Temperatursensorelementes, des Feuchtesensorelementes und/oder des Drucksensorelementes über ein Strominterface in die Versorgungsleitung und über die Schnittstelle zur Stromversorgung an die Motorsteuerung zu übertragen. Damit ist an dem Sensor zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur nur noch einen einzige

Schnittstelle notwendig, die sowohl als digitale Schnittstelle zur Signalübertragung als auch als Schnittstelle zur Stromversorgung dient. Zwischen dem Sensor zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur und dem MotorSteuergerät ist nur noch eine einzige Leitung notwendig, die sowohl als Stromversorgungsleitung als auch als digitale Signalleitung dient

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ist die Erfindung in den Zeichnungen näher dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 einen Sensor zur Erfassung des Massenstromes und der

Temperatur eines Fluidstromes ,

Fig. 2 einen weiteren Sensor zur Erfassung des Massen

Stromes und der Temperatur eines Fluidstromes,

Fig. 3 einen dritten Sensor zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur eines Fluidstromes, Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des Sensors zur

fassung des Massenstromes und der Temperatur Fluidstromes , Fig. 5 einen Sensor zur Erfassung des Massenstromes und der

Temperatur eines Fluidstromes, der zusätzlich mit einem Feuchtesensor und einem Drucksensor ausgestattet ist.

Fig. 1 zeigt einen Sensor 1 zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur eines Fluidstromes. Als Fluidstrom wird in diesem Zusammenhang z. B. ein Gasstrom bezeichnet, der sich in einem Rohr fortbewegt. Dieser Gasstrom transportiert Luft im Ansaugtrakt eines Automobils hin zum Verbrennungsmotor. Für eine optimale Verbrennung des Kraftstoffes im Verbrennungsmotor ist es notwendig, den genauen Massenstrom der zur Verbrennung zur Verfügung stehenden angesaugten oder über einen Turbolader zugeführten Luft zu kennen. Darüber hinaus muss die Temperatur dieser angesaugten Luft bestimmt werden, um den Verbren- nungsprozess im Verbrennungsmotor optimal steuern zu können. Die Steuerung des Verbrennungsprozesses wird vom MotorSteuergerät 4 übernommen. Dem MotorSteuergerät 4 werden die Messwerte des Mas senstromsensors 2 und des Temperatursensors 3 zugeführt. Der Mas senstromsensor 2 und der Temperatur sensor 3 sind Bestandteile des Sensors 1 zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes. Der Massenstromsensor 2 und der Temperatursensor 3 sind in allen Ausführungsbeispielen in einem einzigen Gehäuse 11 des Sensors 1 zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes angeordnet. Im Massenstromsensor 2 ist das Massenstromsensorelement 5 zu erkennen. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Massenstromsensorelementen 5 bekannt, z. B. das Heißfilmmassenstromsensorelement oder moderne mikromechanisch gefertigte Sensorelemente zur Erfassung eines Massenstroms. Vom Massenstromsensorelement 5 werden die

Messwerte zum Massenstrom des Fluidstromes in analoger Form zur Verfügung gestellt. Da analoge Signale in der Regel sehr störanfällig sind, erfolgt kurz hinter dem Massenstromsensorelement 5 eine Wandlung des analogen Signals in ein digitales Signal. Diese Umwandlung erfolgt mit einem sogenannten Ana- log/Digital-Wandler 7. Der Analog/Digital-Wandler 7 sendet das digitale Signal, das proportional zu dem Massenstrom des Fluides ist, an eine digitale Schnittstelle 12 des Sensors 1 zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes . Von der digitalen Schnittstelle 12 wird das digitalisierte Signal des Mas senstromsensorelementes 5 über eine Signalleitung 8 an das MotorSteuergerät 4 übertragen. Das MotorSteuergerät 4 kann auch den Versorgungsstrom für das den Massenstromsensor 2 über die Versorgungsstromleitung 9 und die Schnittstelle 13 zur

Stromversorgung an den Massenstromsensor 2 liefern. Darüber hinaus ist in Fig. 1 im Gehäuse 11 des Sensors 1 zur Erfassung des Massenstromes und des Temperatur eines Fluidstromes der Temperatursensor 3 zu erkennen. Der Temperatursensor 3 umfasst ein Temperatursensorelement 6. Auch das Temperatursensorelement 6 liefert analoge Signale, die mithilfe einer zweiten Schnittstelle 15 und einer zweiten Signalleitung 18 an das Motorsteuergerät 4 weitergeleitet werden. Auch hier kann das Motorsteuergerät 4 den Versorgungs ström für den Temperatursensor 3 über eine zweite Stromversorgungsleitung 19 und eine Schnittstelle 13 zur Stromversorgung an den Tempe- ratursensor 3 liefern. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Sensor 1 zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes in Fig. 1 zwei Schnittstellen 12, 15 für die Signale und zwei Schnittstellen 13 zur Stromversorgung des Sensors 1 zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur eines Fluidstroms sowie zwei Signalleitungen 8, 18 und zwei Stromversorgungsleitungen 9, 19 aufweist.

Fig. 2 zeigt einen Sensor 1 zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur eines Fluidstromes mit einer einzigen

Schnittstelle 13 zur Stromversorgung, wobei der Sensor einen Massenstromsensor 2 mit einem Mas senstromsensorelement 5 und einen Temperatursensor 3 mit einem Temperatursensorelement 6 aufweist. Der Sensor 1 erfasst die vom Massenstromsensorelement 5 und vom Temperatursensorelement 6 analog erzeugten Messwerte und wandelt sie in digitale Ausgangssignale um. Die digitalen Ausgangs Signale werden an einer einzigen digitalen Schnittstelle 12 bereitgestellt. In diesem Beispiel weist der Sensor nur einen einzigen Analog/Digital-Wandler 7 auf, der sowohl die analogen Messwerte des Massenstromsensorelementes 5 als auch die analogen Messwerte des Temperatursensorelementes 6 in ein digitales Ausgangs Signal umwandelt und an einer einzigen digitalen Schnittstelle 12 bereitstellt. Die digitalen Ausgangs Signale werden dann über eine einzige Signalleitung 8 zur Motorsteuerung 4 übertragen.

Der Analog/Digital-Wandler 7 ist hier in Fig. 2 im Massen- stromsensor 2 angeordnet. Das Signal des Temperatursensors 3 wird vom Temperatursensorelement 6 hin zu einem Schalter 14 transportiert, der hier beispielsweise im Massenstromsensor 2 angeordnet ist und der entweder die Signale des Temperatursen- sorelementes 6 oder die Signale des Massenstromsensorelementes 5 an den Analog/Digital-Wandler 7 weiterleitet. Dieser Schalter 14 wird in der Regel als elektronischer Schalter auf dem ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) des Sensors 1 mit ausgebildete sein. Über die einzige digitale Schnittstelle 12 des Sensors 1 zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur eines Fluidstromes wird das digitale Temperatursignal und das digitale Massenstromsignal entlang der Signalleitung 4 an das MotorSteuergerät 4 geleitet. Das MotorSteuergerät 4 kann über eine einzige Versorgungsleitung 9 einen Versorgungsstrom an die einzige Schnittstelle 13 zur Stromversorgung des Sensors 1 zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur des Fluidstromes leiten, der sowohl den Massenstromsensor 2 als auch den Temperatursensor 3 mit elektrischer Energie versorgt. Innerhalb des Sensors 1 zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur des Fluidstromes wird die Stromversorgungsleitung 9 weitergeführt, so dass auch der Temperatursensor 3 mit einem Versorgungsstrom versorgt wird. Diese Anordnung spart gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 sowohl die zweite Schnittstelle 15 für die Signale des Temperatursensors als auch eine Schnittstelle 13 zur Stromversorgung ein, wodurch sowohl die zweite Signalleitung 18 als auch die zweite Stromversorgungsleitung 19 eingespart werden können. Darüber hinaus ist im Sensor 1 zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur eines Fluidstromes nur ein einziger Analog/DigitalWandler 7 vorhanden, der sowohl die analogen Signale und Messwerte des Massenstromsensorelementes 5 als auch des Temperatursensorelementes 6 in digitale Ausgangswerte umwandelt und diese an der einzigen digitalen Schnittstelle 12 zur Verfügung stellt.

Fig. 3 zeigt ebenfalls einen Sensor 1 zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur des Fluidstromes . Im Sensor 1 ist ein Massenstromsensor 2 und ein Temperatursensor 3 zu erkennen. Im Massenstromsensor 2 befindet sich das Massenstromsensor- element 5, das die von ihn erzeugten analogen Messwerte über eine Leitung hin zu einem elektronischen Schalter 14 leitet, der entweder die Messwerte des Temperatursensorelementes 6 oder des Massenstromsensorelementes 5 an den Analog/Digital-Wandler 7 weiterleitet. Der Analog/Digital-Wandler 7 ist nun im Temperatursensor 3 angeordnet. Wiederum zeigt der Sensor 1 zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur eines Fluidstromes nur einen einzigen Analog/Digital-Wandler, der sowohl die analogen Signale des Massenstromsensorelementes 5 als auch die des Temperatursensorelementes 6 in digitaler Signalform der einzigen digitalen Schnittstelle 12 zuleitet. Die Versorgungsstromleitung 9 führt wiederum vom MotorSteuergerät 4 zur einzigen Schnittstelle 13 zur Stromversorgung, die sowohl den Temperatursensor 3 als auch den Massenstromsensor 2 mit einem Betriebs ström und damit mit elektrischer Energie versorgt. Auch hier ist zu erkennen, dass gegenüber der Ausführung in Fig. 1 mindestens eine digitale Schnittstelle und mindestens eine Schnittstelle 13 zur Stromversorgung des Sensors 1 eingespart wurden. Damit sind die Sensoren nach Fig. 2 und 3 einfacher und kostengünstiger herstellbar als der in Fig. 1 dargestellte Sensor 1 zur Erfassung des Massenstromes und der Temperatur eines Fluidstromes .

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensors zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstroms . Im Sensor 1 ist wiederum der Massenstromsensor 2 und der Temperatursensor 3 zu erkennen. Der Massenstromsensor 2 weist ein Mas senstromsensorelement 5 auf, dessen analoge Messwerte von einem Analog-Digital-Wandler 7 digitalisiert werden. Von dem Analog-Digital-Wandler 7 werden die digitalisierten Messwerte des Massenstromsensorelementes 5 zu der einzigen digitalen Schnittstelle 12 des Sensors 1 gesendet. Von der einzigen digitalen Schnittstelle 12 werden die digitalisierten Signale des Massenstromsensorelementes 5 über die einzige Signalleitung 8 zum MotorSteuergerät 4 übertragen. Darüber hinaus weist der Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur einen Temperatursensor 3 mit einem Temperatursensorelement 6 auf. In dem Temperatursensor 3 befindet sich ein Analog-Digital-Wandler 7, der die analogen Messwerte des Temperatursensorelementes 6 in digitale Messwerte umwandelt. Mit einem Schalter 14, der in der Regel als elektronischer Schalter ausgebildet sein wird, kann bestimmt werden, welche digitalisierten Messwerte zu der einzigen digitalen Schnittstelle 12 geleitet werden. Der Schalter 14 kann z. B. so angesteuert werden, dass hauptsächlich das Mas senstromsensorelement 5 digitalisierte Messwerte an die einzige digitale Schnittstelle 12 sendet und z. B. jede Sekunde diese Sendung unterbrochen wird, damit die vom Temperatursensorelement 6 aufgenommenen und digitalisierten Messwerte zu der einzigen digitalen Schnittstelle 12 übertragen werden können. Die Übertragung der Messwerte des Temperatursensor- elementes 6 erfolgt in einem sehr kleinen Zeitfenster, so dass die nahezu kontinuierliche Messung des Massenstroms durch das Mas senstromsensorelement 5 nur unwesentlich gestört wird. Weiterhin ist zu erkennen, dass der Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstroms nur eine einzige Schnittstelle 13 zur Stromversorgung aufweist, womit auch nur eine einzige Stromversorgungsleitung 9 benötigt wird.

Fig. 5 zeigt einen Sensor 1 zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur mit einem zusätzlichen Drucksensor 17 und einem zusätzlichen Feuchtesensor 16. Bei der Erfassung des Massen- Stromes im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine ist es neben der Messung des Massenstromes selber äußerst nützlich, auch Informationen über die im Massenstrom herrschende Temperatur, die Luftfeuchte im Massenstrom und/oder den Druck des Massenstroms zu erhalten. Die letztlich wesentliche Größe zur Steuerung einer Brennkraftmaschine ist die in die Brennräume eingebrachte Sauerstoffmenge . Diese SauerStoffmenge ist selbstverständlich wesentlich abhängig vom Massenstrom, wird aber auch durch die Temperatur im Massenstrom den Druck, unter dem der Massenstrom befördert wird sowie die Luftfeuchte im Massenstrom beeinflusst. Daher sind im Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstroms vorteilhaft ein Massenstromsensor 2, ein Temperatursensor 3, ein Feuchtesensor 16 und ein

Drucksensor 17 in einem einzigen Gehäuse 11 integriert. Der Massenstromsensor 2 weist ein Mas senstromsensorelement 5 auf, dessen Messsignale von einem Analog-Digital-Wandler 7 digitalisiert werden. Der Temperatursensor 3 weist ein Tempera- tursensorelement 6 auf, dessen Messwerte von einem Analog-Digital-Wandler 7 digitalisiert werden. Der Feuchtesensor 16 weist ein Feuchtesensorelement 20 auf, dessen Messergebnisse von einem Analog-Digital-Wandler 7 digitalisiert werden. Der Drucksensor 17 weist ein Drucksensorelement 21 auf, dessen Messwerte von einem Analog-Digital-Wandler 7 digitalisiert werden. Die digitalisierten Messwerte des Massenstrom- sensorelementes 5, Temperatursensorelementes 6, Feuchtesensorelementes 20 und des Drucksensorelementes 21 werden zu einem Schalter 14 gesendet, mit dessen Hilfe bestimmt wird, welches der digitalisierten Signale zum jeweiligen Zeitpunkt an das Motorsteuergerät 4 gesendet wird. Der Schalter ist zudem als sogenanntes Strominterface 22 ausgebildet, mit dem es möglich ist, die digitalisierten Signale des Mas senstromsensorelementes 5, des Temperatursensorelementes 6, des Feuchtesensorelementes 20 und/oder des Drucksensorelementes 21 über die Schnittstelle 13 zur Stromversorgung, die nun gleichzeitig als digitale Schnittstelle 12 dient, entlang der Stromversorgungsleitung 9, die nun gleichzeitig als Signalleitung dient, an das Motorsteuergerät 4 zu senden. Damit weist der Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstroms lediglich eine einzige Schnittstelle auf, die sowohl als einzige digitale Schnittstelle 12 und als einzige Schnittstelle 13 zur Strom- Versorgung genutzt wird. Zwischen dem MotorSteuergerät 4 und dem Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstroms ist nur noch eine einzige Leitung notwendig, die als digitale Signalleitung 8 und als Stromversorgungsleitung 9 dient. Dabei kann der Sensor zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur Messwerte des Massenstroms, der Temperatur, der Luftfeuchte im Massenstrom und/oder des im Massenstrom herrschenden Druckes an die Motorsteuerung 4 übertragen.